加速老化方案的设计

标记、涂层与粘接的加速老化方案设计

要点总结

• 应根据失效机理选择应力，而不是选用恰好手头有的某项标准。
• 材料转变点决定上限——而这个上限属于整个体系，包括胶粘剂和涂层。
• 对于界面失效，循环通常优于稳态，因为导致脱粘的正是热膨胀差异。
• 能做到失效就做到失效。在固定时长下存活并不能说明还剩下多少裕度。

加速老化方案往往是继承而来，而不是设计出来的。因为上一个项目用过就采用某项标准，样品按规定时长暴露，然后记录为通过。该测试与产品的实际失效方式是否有关，很少有人审视，而当产品在使用中真的失效时，通常会发现该方案加速的完全是另一回事。

从机理出发

方案设计始于一个具体的问题：预计什么会失效，通过什么物理过程？答案指向不同的应力。

• 涂层或胶粘剂的界面脱粘由热膨胀差异、界面处的水分侵入以及持续的固化收缩驱动。热循环和湿度是相关的加速因素；单独的稳态加热会严重低估这一点。
• 基材的脆化和开裂由氧化、紫外线暴露和增塑剂流失驱动。起决定作用的是能接触氧气的高温环境和真实的光谱。
• 应力开裂要求同时存在化学接触和持续应力。单独一项都无法再现，而无应力的化学相容性测试会报告一切正常。
• 标记褪色或对比度丧失取决于标记的机理。发泡或碳化标记的退化方式不同于颜料变色，磨损、清洁化学品和紫外线各自攻击不同的标记。

在机理确实未知的情况下，诚实的做法是先在多种应力下开展筛选阶段，找出哪些会引发失效，然后围绕由此浮现的机理建立有针对性的方案。

温度上限属于整个体系

温度是最容易调节的手段，也是最容易被误用的。限制条件是体系中的每种材料都必须保持在其正常工作的区间内。

这意味着上限由组件中任何位置最低的相关转变点决定。聚碳酸酯外壳可能耐受 120 °C；但如果粘接它的胶粘剂玻璃化转变温度为 55 °C，那么高于此温度的测试就不是加速使用，而是另一项实验，在其中胶粘剂呈橡胶态，应力得以松弛。

持续固化是容易被忽视的第二个上限。尚未完全固化的涂层或胶粘剂会在高温测试期间完成固化，达到的状态和应力条件，现场产品可能要数年才能达到，甚至永远达不到。如果预期在使用中会发生后固化，加速它是合理的；如果不会，则该测试等于制造出了另一种材料。

选择站得住脚的加速因子

对于受化学反应速率限制的过程，阿伦尼乌斯关系是通常的依据，而活化能应针对具体体系测量，而不是从参考资料中照搬。在三到四个温度下运行方案并拟合观测到的失效时间，可得到该数值，同时检验这一关系是否成立——如果这些点在适当的坐标轴上不呈直线，则说明机理在整个范围内发生了变化，外推无效。

这种诊断与那个数值同样有价值。得出不一致活化能的方案已经告诉您，其最高温度超出了有效范围，而这正是修正它所需要的信息。

循环、湿度与化学品

稳态暴露运行简单，但对于商业上重要的失效，往往是信息量最少的选项。热循环使界面处于疲劳状态；幅度、升降温速率和在每个极端温度的停留时间都会影响损伤，而在宽范围内缓慢升降温往往比在窄范围内快速升降温更具破坏性。

凡是水解、湿气导致的增塑或界面积水有可能发生之处，都应加入湿度，温湿度联合循环能暴露出任一应力单独都发现不了的失效。化学暴露应使用产品实际接触的介质——包括洗手消毒液、防晒霜和通用清洁剂等非正式介质——并且在可能发生应力开裂时，应施加在受应力的零件上。

紫外线暴露需要具有真实光谱分布的光源。短波成分过多的光源会产生自然暴露中不存在的降解化学反应，这是使本可表现良好的产品不合格的捷径。

样品设计与测量

凡是失效涉及界面、残余应力或几何形状时，应测试组件而不是试片，因为试片系统性地遗漏了这三者。如果试片用于筛选，应在报告中说明这一局限，以免结果事后被当作验证。

使用相同方法在暴露前后测量相同的性能，非破坏性时使用同一批试样，否则使用配对的样品组。每一批次都包含未老化的对照样品——它们能够区分是老化引起的变化，还是测量或材料批次引起的变化。并且应按间隔测量，而不是只在结束时测量，因为退化曲线的形状比其终点携带更多信息，早期的拐点往往揭示机理。

如实解读结果

解读中的两种失误造成了大多数麻烦。第一种是把在固定时长下存活报告得好像证明了寿命；它只证明在那个应力、那个样本量下，到那时尚未发生失效。第二种是用假设的加速因子将单一温度的结果外推到使用条件，得出的数字精度惊人却毫无依据。

更可靠的做法是在多个应力水平下运行到失效，报告分布而不是单个点，明确说明加速依据及其假设，并在方案未经真实现场数据校准之前，将结果视为方案之间的比较。比较性结论——这种配置的寿命是那种的三倍——即使绝对寿命预测并不可靠也依然稳健，而且它们通常正是设计决策真正需要的。

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常见问题

如何选择要施加的应力？

从产品实际失效或预期失效的方式倒推。如果关注界面脱粘，热循环和湿度比稳态加热更相关。如果是脆化，热和紫外线暴露很重要。如果是应力开裂，在施加应力下的化学接触必不可少。不经这种推理就套用标准方案，往往会加速产品永远不会经历的机理。

什么决定最高测试温度？

整个材料体系中最低的相关转变点，而不仅仅是基材。玻璃化转变温度低于基材极限的胶粘剂或涂层会限制测试，因为越过该温度会改变物理本质。持续固化是另一个上限：使涂层完成固化的测试，造出了一种现场产品永远不会有的材料。

热循环比恒温更好吗？

对于界面失效，通常是的。基材、胶粘剂和涂层之间的热膨胀差异使每个界面承受疲劳载荷，这是实际使用中分层的主要机理。恒温会加速化学过程，但完全没有这种载荷。

需要多少样品？

足以表征变异性，而不是仅仅得出单一数字。失效时间本身就是分散的，因此在多个应力水平下每种条件取少量试样，比在一种条件下取大量试样信息更丰富。如果目标是估算寿命而非比较，则更多的应力水平比更多的重复样品更重要。

测试应持续到失效吗？

只要可行就应如此。在固定时长结束的方案只报告样品是否存活，对裕度没有任何信息。运行到失效可得到分布，并允许比较各设计方案各自拥有多少储备，而这正是设计决策真正需要的。

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